Prøvetaging og miljømåling i vann Kai Sørensen, Norsk Institutt for Vannforskning Målsetting med presentasjonen Gi en oversikt over noen prinsipper for miljømålinger i resipentvann Mest fokus på hva som kan måles direkte i resipienten ( effektene av utslipp ), og ikke målinger av utslippene Mest fokus på optiske sensorer Illustrere viktige prinsipper som må tas hensyn til. Illustrere muligheter og problemer med on-line analyser og målinger i vann Gi eksempler basert på prosjekter og erfaringer fra NIVAs virksomhet på feltet 2 Innhold Prinsipper for måling (ikke analyser) Sensorer (passive) Kalibrering av sensorer Begroingsproblemer og mulige løsninger Prøvetagning av vann Måleplattformer (plassering av sensorer) 3
Måling kontra analyse In situ -passivmåling direkte i mediet dvs uten å flytte mediet ut av sin naturlige tilstand In vivo passiv måling i mediet, men dette kan være fjernet fra sin naturlige miljø f.eks i ett gjennomstrømingssystem In vitro (i løsning) behandling av mediet for å gjennomføre f.eks en analyse 4 Optiske måleprinsipper Fluorescence Alger, klorofyll-a Organisk materiale (CDOM, Humus, TOC) Olje PAH Oksygen (Optode) Karbondioksyd, CO2 ph (forsuring) Absorbsjon (a) UV-absorbsjon (Absorbance/cm), 254 nm KOF, TOC NO3, NO2 Fargetall (mg Pt/l), 41 nm In vivo absorpsjon av klorofyll-a ph (Spektrofotometrisk havforsuring) Spredning (b) b b -meter (m -1 ) Turbiditet (FNU ~ NTU ~ FTU) Transmisjon (c = a + b) ac9-meter (9 bølgelender) (m -1 ) c-meter (en-kanals) (m -1 ) 5 1 Absorpsjon: Ex. Alger,9,8,7 Absorpsjon (m-1),6,5,4,3,2,1 4 45 5 55 6 65 7 75 Bølgelengde (nm) Kristiansand 13.9.211 IFEA on line analyse Kai Sørensen 6
Absorpsjon: Ex. Organisk materiale 8 7 6 5 absorption 4 3 2 1 4 42 44 46 48 5 52 54 wavelength 7 Spredning: Ex. Partikler 8 7 6 scattering coefficient 5 4 3 2 1 4 45 5 55 6 65 7 75 wavelength 8 Alge sensor klorofyll-a fluorescence En rekke leverandører f.eks BBE,TriOS, YSI etc
Lista NORWAY Arenbdal St. 2/3 Jomfruland SWEDEN Algemengder som klorofyll-a fluorescence målt fra skip/ferger Fergen Color Festival våren 27 Oslo 6 N 59 N 58 N Fredrikshavn Jan Feb Mar Chl-a [mg/m^3] Variasjon i klorofyll fluorescence mot vannprøver (sann verdi) Sensorsignalet Vannprøven 11 Sesongvariasjonen i klorofyll-a_fl /klorofyll-a i et havområde/fjord. 12
Blågrønnalger Phycocyanin fluorescence Flere leverandører. Har testet TriOS, YSI som viser ulike respons på samme konsentrasjon og interferenser Steinsfjorden 26.8.21 Steinsfjorden 26.8.21 Dyp Phycocyanin (µg/l) 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 1997: Oppdaget masseforekomst av blågrønnbakterieslekten Planktothrix på 1-12 m dyp i Steinsfjorden Stort sett årlige oppblomstringer av Planktothrix i metalimnion (1-12 m) Planktothrix produserer toksiner og det kan utgjøre en helserisiko i forhold til drikkevann og rekreasjon (bading). Steinsfjorden brukes ikke lengre som drikkevannskilde og bading har vært frarådet ved flere ganger de siste 13 årene. Bruk av phycocyanininstrumentet gir informasjon i felt om mengde og fordeling av blågrønnbakterier i Steinsfjorden 14 Sammenligning av kalibreringene for 2 fluorescence sensorer 2 175 YSI_PC-fluorescence (RFU *1) Pycocyanin fluorescence or RFU values 15 125 1 75 5 MicroFlu Blue (Phycocyanin-fluorescence (myg/l) 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Microcystis, klorofyll-a (myg/l) 15
Interferens fra grønnalger på blågrønnalge signalet 1 9 YSI_PC-fluorescence (RFU*1) Pycocyanin fluorescence or RFU values 8 7 6 5 4 3 2 MicroFlu-Blue (Phycocyanin fluorescence myg/l) 1 25 5 75 1 125 15 175 2 Selenastrum, klorofyll-a (myg/l) 16 Kalibering av sensorsignalet for variable som ønskes målt Test of Microflu blue sensor (Phtcocyanin) for ulike alger. Chlorophyll-a (myg/l) 2 19 18 Microcystis 17 Anabena 16 CYA397 Red planktotrix 15 CYA98 Green planktotrix 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 Pycocyanin fluorescence (TriOS) 17 Humus/TOC absorbsjon og fluorescence Flere leverandører. Eksempler fra TriOS
ProPS NO3, COD - UV-abs 19 TriOS ProPS sensoren gir absorbsjonspektra - UV-abs 3 2.5 2 254 nm 1.5 1.5 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 bølgelengde nm 2 Eksempel fra målestasjon Langtjern 21
TriOS humus fluorescence http://www.aquamonitor.no/langtjern/default.aspx 22 Begroing på sensorer Mekanisk rengjøring Manuellt eller med børster vipere Automatisk rengjøring med syrer/baser Sekvens utenom måleperioder Trykkluft Sterk jet av luft spyles på sensorhodet/optiske vindu Passive: Biocide - belegg eller gitter Kobber (eller TBT, på vei ut) Aktive: Bruk av klor (Cl 2 ). Ferskvann: Reservoar av klor og en pumpe Sjøvann: Elektrolyse klorineringssystem Spesiell coating av sensorhodet Nanopolymer belegg (YSI ; C-Spray) 23 Eksempel på korreksjon av begroing av alger på en sensor Her med manuell rensing av sensor Uncorrected Chl-a fluorescence Biofouling Manual cleaning Corrected 8 Jan 17 Jan, 26 Målinger fra en sensor om bord i fergen Color Festival 24
Mekanisk rengjøring med børster Børster som ikke påvirker måleflaten Styres på f.eks tid eller posisjon med en bevegelig måleplattform 25 Prøvetaging Direkte prøvetaging Manuell prøvetaging Automatisk prøvetaging Styring: tid, mengde, hendelse, posisjon Passive prøvetagere SPMD = Semipermeable membraner DGT = Diffuse gradients in thin films 26 Stasjonære og bærbare prøvetagere 27
En rekke tilleggsutsyr for prøveuttak 28 Passiv prøvetaging Tungmetaller - Diffusive Gradient in Thin films Device-DGT - Chemcatcher (Konfigurert for metaller) - Ecoscope (ALcontrol AB) Polare organiske forbindelser (f.eks farmasøytiske, pesticider) Polar Organic Compound Integrative Sampler Chemcatcher (Konfigurert for polare org.) Ikke-polare organiske forb.( PAH, PCB, Bromerte flammehemmere) Semi-Permeable Membrane Devices - Chemcatcher (NP config.) - Low-density polyethylene Membrane and silicone strips - Membrane-enclosed sorptive copolymer (MESCO) NIVA contact: Ian Allan 29 Måleplattformer
Måleplattformer Kontinuerlige in situ sensorer Faste rigger i vann in situ Sensorer i gjennomstrømningssystemer Sensorer på skip Fjernmåling Sensorer direkte over vannforekomsten Flydata Satellittdata 31 Ferrybox plattformer Det er et nettverk av slike måleplattformer i europeisk sammenheng NIVA koordinerer datainnsamling og automatisk kvalitetskontroll 32 Ferrybox system på Color Fantasy mellom Oslo og Kiel Ed Dekk sensorer Ld Ferrybox-sensorer på 4 meters dyp Lu 33
The Ferrybox installation Sensor systems Pump 2 l/min Sampling unit Sensorer i ett Ferrybox gjennomstrømningssystem Cyanobacteria CDOM Algae Temp.Salinity Particles Oxygen 35 Styring med bruk av Labview Pumpesyste m Prøve - tager Noe har skjedd? 36
Lista NORWAY Arenbdal St. 2/3 Jomfruland SWEDEN Høyfrekvent måling kontra rutine prøver 2 Chl-a (mg/m3) 15 Sampling from Ferrybox 1 Sampling from traditional research cruises/monitoring program 5 Jan Feb Mar Apr Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Des 37 Satellittdata Kombinasjon av sensormålinger og satellittdata (www.ferrybox.no) Daglige målinger Skyavhengig Klorofyll-a Partikler Siktdyp 39
Oppsummering I Måleprinsipper som fluorescence, absorpsjon, spredninger er betydelig utbredt for målinger i vann og for miljømålinger Man må være nøye med kontroll av fabrikkkalibreringer og kontroll av interferenser Ulike leverandører kan ha ulike kalibreringer for samme variabel Sørge for korrekt kalibrering av sensorsignalet for den variable som man vil måle/overvåke Optiske sensorer er utsatt for begroing og passende tiltak for å fjerne dette er avgjørende for godt resultat 4 Oppsummering II Mange systemer for prøvetagning er på markedet som kan tilpasses behovene Passive prøvetagere for organiske og uorganiske komponenter er nå i bruk og på markedet Kontinuerlige målinger med Ferrybox eller sensorer på rigger gir viktige høyfrekvente målinger Satellittdata gir gode oversiktsbilder av variable som partikler og plankton Kobling av data fra ulike måleplattformer og prøvetagning gir betydelig merverdi innen miljøovervåkning 41 Takk for oppmerksomheten! Kontakt: kai.sorensen@niva.no Informasjon: www.niva.no Se invitasjon om overvåkingdagen 2.9.211 på NIVA, frist for påmelding utvidet til 14.9.11